Trabalho Completo (versão em PDF)

V ENCONTRO NACIONAL DE PESQUISA EM EDUCAÇÃO EM CIÊNCIAS
James Prescott Joule e o Equivalente Mecânico do Calor: a contextualização histórica
e as contribuições para um ensino por relações conceituais em física
James Prescott Joule and the Mechanical Equivalent of Heat: the contributions of
historical context to an teaching for conceptual relations in physics
CHRISTÓFALO1, A.A.C.
CALUZI2, J. J.
1
Faculdade de Ciências Unesp campus de Bauru Mestrando – Programa. de Pós Graduação em Educação para a Ciência
FC/Unesp e-mail. [email protected]
2
Faculdade de Ciências Unesp campus de Bauru Prof. Dr. Assistente dep. Física; dep. Pós-Graduação. e-mail:
[email protected]
RESUMO:
O presente trabalho tem por finalidade uma breve análise das possibilidades de investigação qualitativa
em história da ciência, para isso, realizou-se um estudo do artigo original de James Prescott Joule: On the
Mechanical Equivalent of Heat, sobre o equivalente mecânico do calor publicado na revista: Philosophical
Translaction, na edição de 1850. Ao ensino de ciências conseqüentemente, pode se contribuir para uma
avaliação dos textos de divulgação científica que se apropriam de assuntos de história da ciência.
Palavras Chave: História da Ciência, Equivalente Mecânico, Joule.
ABSTRACT:
In this paper to realize a qualitative investigation in history of science, with this finality, to use the
original publication of James Prescott Joule: On the Mechanical Equivalent of Heat, in Philosophical
Translaction 1850. The present study it can contribute for better evaluation of the scientific texts in the
questions and problems the history of sciences.
KEYWORDS: History of Science, Mechanical Equivalent, Joule
.
1. INTRODUÇÃO
Ter acesso a livros e textos que tratam da História da Ciência não é difícil, basta fazer uma
pesquisa na Internet, ir a qualquer biblioteca ou livraria que certamente será encontrado um vasto material
no assunto. Pode-se perguntar então como é possível uma análise qualitativa desse material: quais os
critérios necessários se identificar bons textos em meio a grande diversidade de materiais de divulgação
científica.
Diferentemente de certas profissões e áreas do conhecimento, não existem pré-requisitos para se
escrever um texto sobre algum período da ciência, ou sobre algum cientista em particular. Do contrário,
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE PESQUISA EM EDUCAÇÃO EM CIÊNCIAS
ATAS DO V ENPEC - Nº 5. 2005 - ISSN 1809-5100
1
DEMPESQUISA
EM
EM CIÊNCIAS 2
V E N CO N T RO N A CI O N A L D E P E S Q U I S A VEENCONTRO
M E D U CNACIONAL
A ÇÃ O E
CI Ê N CI
AEDUCAÇÃO
S
pode-se imaginar, por exemplo, se não houvesse restrições para se abrir uma clínica de odontologia, ou
mesmo em contratar um engenheiro ou um médico que não tenha a formação específica. A conseqüência
de um engano médico é, entretanto mais visível que um mau trabalho de divulgação científica.
A identificação de um bom texto em história da ciência, segundo Martins (1998) não se vincula
necessariamente a autores de livros consagrados, neste caso, muitas vezes acabam por apresentar uma
visão distorcida sobre a ciência e a produção científica, em erros de natureza diversa. Enganos sobre a
vida dos cientistas e mais seriamente dos reais trabalhos desenvolvidos. Convém afirmar, no entanto que
existem alguns critérios para identificar e evitar alguns erros comuns em história da ciência. Finalmente
tem-se a considerar a importância de se estabelecer critérios de seleção dos textos de ciências utilizados no
trabalho pedagógico em ensino de ciências. O referencial de divulgação da história da ciência no âmbito
pedagógico formal e não formal, deve ser fundamentado nas pesquisas em história da ciência, portanto
este tratamento não é arbitrário. Deste modo, se insere nesta análise, o uso de elementos de análise de
textos em história da ciência, para a especificidade dos textos de pesquisa e das fontes de estudo de um
texto original (escrito pelo autor a ser analisado).
A partir de tais considerações, o presente trabalho tem por finalidade uma breve análise das
possibilidades de investigação qualitativa em história da ciência, com o estudo do artigo original de James
Friscott Joule: On the Mechanical Equivalent of Heat, sobre o equivalente mecânico do calor publicado
na revista: Philosophical Tranlaction, na edição de 1850. Destacando algumas possíveis contribuições aos
propósitos didáticos em ciências.
1. JAMES PRESCOTT JOULE E O EQUIVALENTE MECÂNICO DO CALOR.
Inicialmente o artigo apresenta um esboço sobre o progresso da doutrina mecanicista, com a
identificação de algumas pesquisas sobre o efeito calórico produzido por atrito, estas pesquisas são
consideradas de importante valia para a compreensão dos fenômenos de radiação e transmissão de calor.
Entretanto não é possível incluir os detalhes no presente escopo de análise.
O experimento sobre o equivalente mecânico está inserido no contexto do desenvolvimento da
termodinâmica clássica. Este paradigma vinha se configurando até o final do século XIX. Nesta
caracterização, focaliza-se os referenciais teóricos e as hipóteses da época relacionadas a uma série de
experimentos utilizando a fricção de sólidos e de líquidos.
Haviam duas hipóteses sobre a constituição física do calor relativamente na sua época. De inicio,
em considerar o calor como uma propriedade ou substância inerente aos objetos. Esta hipótese segundo
Joule contraria alguns resultados experimentais. Na contraposição desta hipótese identifica-se em
Rumford, o primeiro experimento a favor da hipótese defendida por Joule. Rumford, por meio de
experimentos bastante simples, entendia que uma quantidade considerável de calor produzida quando uma
bala de canhão atinge um alvo, não poderia ser explicada como uma mudança da capacidade calorífica do
metal, mas pela hipótese de que o calor é produzido pela excitação das partículas que se propagam com
maior intensidade. Estas partículas, segundo Joule são imponderáveis (não poderiam ser observadas), visto
que era um modelo teórico e não havia experimentos que identificassem moléculas ou partículas atômicas.
A perturbação das partículas produzida, por um agente externo, por exemplo, uma força mecânica implica
na variação da temperatura (agitação das partículas).
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE PESQUISA EM EDUCAÇÃO EM CIÊNCIAS
ATAS DO V ENPEC - Nº 5. 2005 - ISSN 1809-5100
2
2
DEMPESQUISA
EM
EM CIÊNCIAS 3
V E N CO N T RO N A CI O N A L D E P E S Q U I S A VEENCONTRO
M E D U CNACIONAL
A ÇÃ O E
CI Ê N CI
AEDUCAÇÃO
S
Conseqüentemente, o propósito do artigo de Joule é apresentar uma análise quantitativa sobre o
equivalente mecânico do calor produzindo na fricção de sólidos e líquidos. Uma das motivações deste
trabalho encontra-se num experimento realizado em 1840. Tratava-se do estudo sobre o calor envolvido
na eletricidade voltaica, neste experimento, foi identificado que a intensidade da força eletromotriz é
proporcional ao efeito calórico, o que permite estabelecer relações entre o calor e as propriedades
químicas e elétricas. No ano de 1843 acrescenta-se a pesquisa de Faraday sobre as identidades químicas
relacionadas com a eletrólise, o calor envolvido no fenômeno de magneto eletricidade apresenta uma
proporcionalidade direta com a força elétrica. Esta força motriz origina-se das propriedades químicas, tais
como de uma bateria.
Um artigo subseqüente, em 1844, tinha por objetivo a confirmação de que o calor envolvido no
processo de expansão ou compressão do ar é proporcional a força envolvida na realização destes
processos. A relação quantitativa entre a o calor a força deduzida nestes experimentos de compressão de
ar, apresentam uma relação de proporcionalidade entre o calor liberado e absorvido. Pode-se acrescentar
neste caso uma referencia ao trabalho de M. Seguin, sobre dilatação volumétrica do vapor de água.
Novamente em referencia a Count Rumford, fora citado que a produção de calor na fricção de
atrito, fundava a hipótese de que a matéria no estado líquido e gasoso, também gera calor no processo de
fricção. A exemplo, o atrito produzido entre pedras de gelo num ambiente fechado e adiabático ocasiona o
derretimento nas regiões de contato, muito embora a temperatura medida neste ambiente se mantivesse
abaixo do ponto de fusão do gelo. A princípio estes experimentos podem sugerir a hipótese da variação da
capacidade calórica dos objetos, na aceitação de que o calor é de fato uma substância, pois a capacidade
calórica do gelo é menor do que da água. Mas também não invalidam a hipótese mecanicista, de que as
leis de propagação de calor, devem ser precisamente as mesmas leis que regem os movimentos mecânicos.
Uma variação volumétrica (dilatando ou comprimindo uma mesma fração de um material) implica
na liberação ou absorção de calor, sendo possível estabelecer uma relação fundamental para o
desenvolvimento de uma teoria mecânica do calor, visto que a demonstração do efeito do calórico é
sempre dado proporcional a aplicação de uma força expendida nos diversos casos supra citados. Significa
que a força de compressão ou de expansão volumétrica está associada ao efeito calórico.
Estes resultados, segundo Joule, não deixam dúvidas a respeito da existência da relação de
equivalência entre a força mecânica e o calor. Entretanto o propósito do presente artigo a ser analisado é
obter um resultado mais acurado desta proporção, deste modo, trabalhando com dados experimentais
quantitativos. Uma unidade de energia utilizada no texto original de Joule está representada por pés-libras,
representa a unidade para o equivalente mecânico do calor.
3-DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO:
Na figura 1 1 tem-se a ilustração do aparato mecânico na qual estão fixadas um número de oito pás
em um eixo de rotação e quatro braceletes fixos. Este aparato mecânico produz a fricção da água, de modo
que as pás metálicas produzem o atrito mecânico pelo contato direto com a água e durante o movimento
giratório. Na figura 2 está representado o plano horizontal do aparato, e no centro deste plano está
1
As ilustrações estão em anexo no final da revista disponíveis no site: http://gallica.bnf.fr/
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE PESQUISA EM EDUCAÇÃO EM CIÊNCIAS
ATAS DO V ENPEC - Nº 5. 2005 - ISSN 1809-5100
3
3
DEMPESQUISA
EM
EM CIÊNCIAS 4
V E N CO N T RO N A CI O N A L D E P E S Q U I S A VEENCONTRO
M E D U CNACIONAL
A ÇÃ O E
CI Ê N CI
AEDUCAÇÃO
S
localizado o eixo de rotação do conjunto de oito pás. As pás metálicas circulam livremente no interior do
recipiente que está envolvido em um material isolante, a princípio parece ser madeira, envolve a parte
externa do recipiente metálico de água, não permitindo a liberação de calor em nenhuma direção conforme
o quadro a seguir:
Fig. 2 plano
horizontal
Eixo de rotação
Pás de fricção
Estrutura
móvel.
Estruturas fixas
Fig.1 Plano vertical,
interior do recipiente
Figuras 1(direita) e 2 (esquerda)
Na figura 3, identifica-se a ilustração do reservatório utilizado no experimento de fricção da água.
No seu interior estão localizados a engrenagem descrita nas figuras 1 e 2, e o líquido para a fricção
envolvendo o interior do cilindro. Há também duas aberturas representados por a e b, estas aberturas
permitem a movimentação da engrenagem no eixo vertical, além da inserção do termômetro no interior do
compartimento.
Aberturas a & b
Recipiente
Figura 3
O aparato utilizado de fricção do mercúrio é similar a este experimento de fricção da água,
conforme representado nas ilustrações 4, 5 e 6. Porém existem diferenças na estrutura deste aparato,
pode-se verificar que as pás de fricção foram substituídas por uma armação retangular, segundo a análise
do texto e na ilustração da figura 5, a estrutura é composta por uma quantidade de 6 braceletes no eixo de
rotação e 8 mantidas estacionárias, totalizando 14 braceletes de fricção. As ilustrações apresentam-se no
quadro abaixo.
Plano horizontal
Eixo de rotação
sobreposta à
estrutura fixa.
Parte interna
Estrutura de
fricção
Aberturas
Recipiente
Figuras 5, 4 e 6
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE PESQUISA EM EDUCAÇÃO EM CIÊNCIAS
ATAS DO V ENPEC - Nº 5. 2005 - ISSN 1809-5100
4
4
DEMPESQUISA
EM
EM CIÊNCIAS 5
V E N CO N T RO N A CI O N A L D E P E S Q U I S A VEENCONTRO
M E D U CNACIONAL
A ÇÃ O E
CI Ê N CI
AEDUCAÇÃO
S
Os experimentos de fricção de sólidos constam nas figuras 7 e 8, consistindo em um eixo de
rotação que impulsiona uma roda constituída de liga metálica, representada em b. A estrutura retangular
produz o movimento do conteúdo do recipiente.
A estrutura de fricção está fixada no eixo central, por meio de dois furos. Neste caso, o recipiente
é fixado no plano horizontal, por meio de uma barra de madeira f. Com a figura 8 a engrenagem de fricção
está no interior do recipiente, a medida em que se abaixa a barra f, realiza-se a fricção do metal na
estrutura interna ao recipiente, representado na figura 7.
Barra(F)
Estrutura de
fricção
Recipiente
Figuras 7 e 8 (respectivamente)
Na figura 9 apresenta-se uma descrição do suporte dos pesos, cuja tração impulsiona as pás de
fricção. Os pontos indicados por a & a representam as duas polias de madeira responsáveis pelo
movimento do eixo vertical de fricção, cada roldana apresenta diâmetro de 30,48 cm e 2 polegadas ( 6,08
cm) de espessura. Cada polia está acoplada em rolos de madeira, cujo comprimento é indicado em (bb) &
(bb), com diâmetro de 2 polegadas. O eixo de rotação destas polias está representado pela barra de aço
horizontal, indicado em c e c, este eixo é perpendicular ao eixo de rotação das pás de fricção e possui
cerca de um quarto de polegada, ou 0,6 cm de diâmetro. As polias podem girar perfeitamente sendo
suportadas em cada lado por dois pequenos discos de latão indicadas por (dd,dd) & (dd,dd) estando
fixados firmemente. Há um suporte de madeira, não representado nas ilustrações, mantém este sistema a
uma altura mínima de 63 polegadas, estando pregadas, este suporte está fixado na parede.
Régua (k)
h
Eixo de
fricção (f)
Peso (e)
Recipiente
Polia (a)
Cilindro de rotação
(b,b)
Cabo
Manivela de
rebubinagem
suporte de
madeira (g)
Local
termômetro
Cabos
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE PESQUISA EM EDUCAÇÃO EM CIÊNCIAS
ATAS DO V ENPEC - Nº 5. 2005 - ISSN 1809-5100
5
5
DEMPESQUISA
EM
EM CIÊNCIAS 6
V E N CO N T RO N A CI O N A L D E P E S Q U I S A VEENCONTRO
M E D U CNACIONAL
A ÇÃ O E
CI Ê N CI
AEDUCAÇÃO
S
Os pesos constituídos de chumbo, representados por e & e, neste caso, cada par possui uma massa
estimada em 29 libras; 13,154Kg, e 10 libras; 4,536 Kg. De modo que há duas cordas de sustentação em
cada lado dos pesos, equilibrando o centro de massa e assim, estão dispostas no cilindro ilustrado em
(bb) & (bb). Entretanto, o movimento de fricção no interior do recipiente térmico depende de um cordão
fino, e que está conectando na polia de madeira a, de modo idêntico para cada lado. Como os pesos estão
dispostos para movimentar o eixo central, o cordão está enrolado em forma de espiral, transmitindo a
força de queda livre para a tração de fricção, representado pelo eixo f. Para travar ou acionar este sistema,
utiliza-se pinos de ferro, controlando a descida dos pesos, travando o cilindro do eixo f, este cilindro
conecta os cordões nas polias laterais a,a.
Uma pequena plataforma de madeira sustenta o tanque de fricção, representada por g, esta
plataforma de madeira apresenta várias aberturas, minimizando o contato entre o tanque e a madeira, e
maximizando o contato com o ar ambiente em todas as direções. Deve-se considerar também a presença
de um biombo grande de madeira, isolando a região do experimento do laboratório.
Os procedimentos experimentais para a coleta de dados são descritos da seguinte forma: -a obtenção
das temperaturas de fricção são atualizadas à medida que os pesos são liberados de uma altura h no eixo
central f, que apresenta uma equivalência na altura de queda dos pesos. Esta altura apresenta-se graduada
por duas réguas de madeira e representadas na figura acima escritas por k & k, atingem o ponto mínimo
próximo ao assoalho do laboratório. A velocidade de queda dos pesos foi estimada em cerca de 2,42 pés
por segundo e a altura total de queda dos pesos, em 63 polegadas. O experimento foi repetido vinte vezes
para cada medida. As medidas da temperatura do aparato e da temperatura do ar no laboratório foram
obtidas no começo, no meio e ao término de cada lançamento. Incluindo assim a verificação do efeito de
radiação e da condução de calor liberado do experimento para a atmosfera e da atmosfera para o
experimento, verificando tanto o acréscimo quanto o decréscimo de temperatura do aparelho de fricção.
5-SÉRIES DE EXPERIMENTOS:
Os dados obtidos nos experimentos, foram tabelados, constando o calor gerado (ganho) ou liberado
durante o experimento. Na segunda coluna, tem-se a altura de queda dos pesos de fricção, e nas demais
tabelas, as medidas da temperatura durante cada lançamento dos pesos, nota-se que a coluna 7 apresenta o
valor médio do calor envolvido em cada caso, e na coluna 4, tem-se as médias entre a temperatura final e
inicial, estes dados apresentam-se da seguinte forma:
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE PESQUISA EM EDUCAÇÃO EM CIÊNCIAS
ATAS DO V ENPEC - Nº 5. 2005 - ISSN 1809-5100
6
6
DEMPESQUISA
EM
EM CIÊNCIAS 7
V E N CO N T RO N A CI O N A L D E P E S Q U I S A VEENCONTRO
M E D U CNACIONAL
A ÇÃ O E
CI Ê N CI
AEDUCAÇÃO
S
O valor experimental de Ficção e Radiação, constam no último quadro da linha 7, o valor da
temperatura de acréscimo a água pela fricção mecânica foi de 0o,57525, com as considerações
experimentais advindas de outras fontes, obteve-se um ajuste desta temperatura para 0o,563107, deste
valor, soma-se com o gradiente da temperatura ambiente, que apresentou um decréscimo, em torno de
0o,00102, de modo que o aumento da temperatura produzido na fricção da água obtido a partir das
correções é de 0o,563209. Este aumento da temperatura depende do modo em que é produzida a fricção
da água e dos pesos indicados na figura 1 por c,c.
A quantidade de calor produzida por 7,84442299 libras, produz um aumento de 1o FAHR uma
quantidade de 1 libra de água (aprox. 453,6 gramas). A Força total de fricção expendida no experimento
pela distância de queda livre resultou em 6067,114 pés - Pound. Logo a razão entre a força total e o
coeficiente calórico para 1o FHAR é o resultado experimental do equivalente mecânico do calor para a
fricção da água:
6067,114
Equiv =
= 773,64 pés - Pound 2
7,842299
Por conseguinte, realizou-se dois experimentos para o equivalente mecânico na fricção de
Mercúrio (1) e (2), sendo obtido no primeiro experimento uma força de fricção resultante de 6077,939 pés
– libras, este é o valor experimental para a força total do aparato sobre o mercúrio. Considerando que a
variação de temperatura de 2o,491218 (obtida pela somatória dos acréscimos de temperatura das
componentes individuais do equipamento), considerando este valor sobre a capacidade de 1o tem-se
7,85505 libras. Por conseguinte é obtido o calculo do Equivalente mecânico de fricção do mercúrio:
6077,939
= 773,62 pés - Pound
7,85505
Este é o valor experimental do equivalente mecânico de fricção do mercúrio no experimento (1).
(1) E quiv =
Na segunda verificação experimental do equivalente calórico de fricção de mercúrio, sendo a
temperatura acrescida, inicialmente a 0o,85804 e a capacidade calórica em 1o, tem-se 2,70548 libras. A
força foi estimada em 2100,272 pés-libras, deste modo o cálculo do equivalente mecânico:
(2) E quiv =
2100,272
= 776,303 pés – Pound (pesos grandes)
2,70548
Este é o resultado obtido para o equivalente, utilizando pesos mais leves para estabelecer quadro
comparativo.
Os experimentos de fricção de liga metálica, apresentam maior variação de temperatura, cerca de
4o, 56785, entretanto mantém um resultado próximo aos anteriores na proporção de 7,69753 libras em 1o,
que corresponde ao valor absoluto do calor envolvido na fricção da liga metálica. A força resultante ao
movimento de fricção foi de 5980,955 pés-libras, representa o valor efetivo da força convertida em calor.
2
A unidade Pound pode ser identificada em apêndice de fatores de conversão nas unidades de força, sendo 1 poundial
equivalente a uma força newtoniana de 0,1383 N.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE PESQUISA EM EDUCAÇÃO EM CIÊNCIAS
ATAS DO V ENPEC - Nº 5. 2005 - ISSN 1809-5100
7
7
DEMPESQUISA
EM
EM CIÊNCIAS 8
V E N CO N T RO N A CI O N A L D E P E S Q U I S A VEENCONTRO
M E D U CNACIONAL
A ÇÃ O E
CI Ê N CI
AEDUCAÇÃO
S
(1) E quiv =
5980,955
= 776,997 pés – Pound ( pesos menores)
7,69753
O último experimento da serie, para a liga metálica, apresenta variação de temperatura total de
1o57555, e o equivalente para 1o F de 2,65504 libras, por conseguinte, com uma força total de fricção de
2057,336 pés-libras, corresponde ao valor absoluto da força utilizada na produção de calor, por meio do
movimento de fricção. Conseqüentemente obteve-se o valor do equivalente mecânico:
(2) E quiv =
2057,336
= 774,88 pés – Pound
2,65504
Estes resultados são apresentados na tabela abaixo:
Esta tabela representa a verificação experimental (quantitativa) do Equivalente mecânico do calor,
sendo identificadas as proporções entre a força expendida no movimento de atrito mecânico de líquidos e
sólidos, em calor, sendo identificado pela variação da temperatura.
Tem-se as seguintes afirmações apresentadas no texto original:
Confirmam-se os trabalhos anteriores supra citados, em que pode ser quantificada a proporção entre
a força mecânica de atrito em diferentes amostras e com diferentes estados, havendo uma proporção direta
com o aumento da temperatura, neste caso, a identificar também a produção de calor. Esta produção de
calor, não altera a capacidade calórica de cada material da amostragem, no caso, apresenta-se forte
argumento em favor das hipóteses defendidas por Joule, de que o aumento da temperatura está associado
ao estado de agitação de partículas microscópicas, a princípio consideradas como hipótese.
Na primeira frase, uma quantidade de calor, produzida no atrito, tanto sólidos quanto de matéria
em estado líquido é sempre proporcional à força expendida. Conseqüentemente, a quantidade de calor
capaz de aumentar a temperatura da água em 1o FAHR, implica necessariamente em uma força mecânica de
772 libras a uma distância de 1 pé ou seja, 30,48 cm.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE PESQUISA EM EDUCAÇÃO EM CIÊNCIAS
ATAS DO V ENPEC - Nº 5. 2005 - ISSN 1809-5100
8
8
DEMPESQUISA
EM
EM CIÊNCIAS 9
V E N CO N T RO N A CI O N A L D E P E S Q U I S A VEENCONTRO
M E D U CNACIONAL
A ÇÃ O E
CI Ê N CI
AEDUCAÇÃO
S
6- RELEVÂNCIA DA HISTÓRIA DA CIÊNCIA AOS FINS DIDÁTICOS PRETENDIDOS:
Considerando o problema da distinção entre o conhecimento científico em suas vias de elaboração
em pesquisa, do conhecimento diluído na forma curricular de ensino de ciências em suas diversas
modalidades, identifica-se o processo de Transposição Didática definido por Chevallard (1991, p. 18): “
El saber que produce la transposición didática será por lo tanto um saber exiliado de sus orígenes y
separado de su produción histórica em la esfera de saber sábio[...]” Ocorre uma sistemática modificação
do conhecimento, caracterizada na passagem do conhecimento elaborado pelos cientistas para o
conhecimento transformado em objeto de aprendizagem em ciências. Esta transposição do saber
produzido para o saber escolar, é marcada por um distanciamento contextual das condições históricas e
sociais envolvidas no conhecimento científico denominado saber sábio, para um processo de
recontextualização dos conteúdos numa nova versão a ser ensinada, segundo Marandino (2004, p.98):
• O saber ensinado é exilado de sua origem e separado de sua produção histórica
• Existe algo invariante (significante) e algo variável no elemento do saber sábio (significado),
nos elementos do saber ensinado, e nesse sentido, procede-se através de uma descontextualização
dos significantes[...]
Considera-se que este distanciamento entre o conhecimento ensinado do conhecimento
historicamente produzido, torna-se limitante, pois não permite o acesso ao conteúdo (semântico) associado
ao (signo), de forma que o trabalho pedagógico centrado apenas na identificação dos (signos), numa
recontextualização, compromete a compreensão do engendramento lógico desses significantes, num
significado estanque a realidade da ciência. O ensino deve tornar identificáveis os elementos do saber
sábio, entretanto nem todos os elementos desse saber podem ser aproveitados, mas é necessário identificar
os elementos essenciais para esta compreensão da lógica do conhecimento, para o acesso a este
conhecimento sábio. Assim, a retratação formal e não formal da Física no âmbito do ensino, fica refém
desta reconstrução ou recontextualização dos conteúdos. Entretanto tem-se consciente o fato de que não é
possível reproduzir no âmbito do ensino todos os elementos presentes na ciência produzida, cabe ao
trabalho pedagógico, destacar os elementos essenciais presentes no saber sábio, e a História da Ciência
possui subsídios para esta análise.
Acrescenta-se a este cenário, a apresentação do Equivalente Mecânico, nos livros de Física
básica, tais como Halliday (1965) e Nussenzveig(1990), realizam uma razoável retratação do contexto
histórico, entretanto, este apresenta-se numa mera descrição e desvinculada de um compromisso didático,
de facilitar aos estudantes de Física uma identificação dos conceitos de Física Clássica por relações. Em
outra análise, de como estes conhecimentos produzidos pelos cientistas são vistos pelos alunos e como
deveriam ser.
A função pedagógica em ciências do uso da História da Ciência, pode ser reconhecida segundo
Alfonso-Goldfarb (1994,p.88, 89) “ [...] a História da Ciência oferece em suas pesquisas discussões
interessantes sobre os vários modelos de conhecimento[...][...] também ajuda a que se entenda melhor
seus processos e convenções, evitando a velha técnica escolar de aprender de cor ”. Uma desmistificação
da realidade e da produção científica, na idéia de cientista gênio ou de uma ciência neutra e cumulativa.
Na análise do Equivalente Mecânico, pode-se verificar o engendramento lógico dos conteúdos,
pelo envolvimento com as demais modalidades de Energia:
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE PESQUISA EM EDUCAÇÃO EM CIÊNCIAS
ATAS DO V ENPEC - Nº 5. 2005 - ISSN 1809-5100
9
9
DEMPESQUISA
EM
EM CIÊNCIAS
V E N CO N T RO N A CI O N A L D E P E S Q U I S A VEENCONTRO
M E D U CNACIONAL
A ÇÃ O E
CI Ê N CI
AEDUCAÇÃO
S
10
Forças de atração e repulsão entre cargas elétricas
Forças de atração e repulsão magnéticas
(Energia luminosa e eletricidade)
Produção de forças na
mudança de referencial
Inercial, produz Energia
Cinética
Trabalho
Mecânico
Fricção de
sólidos, líquidos
gases...
Força Gravitacional
Energia Potencial
Gravitacional se
transforma em Energia
Cinética
Energia Térmica
A relação entre a energia térmica na dissipação de calor produzido por meio de atrito mecânico,
pode ser identificada em termos didáticos, com as formas de Energia; eletromagnética, gravitacional e
produção de impulso cinético. A relação entre as modalidades de energia partem da compreensão
sistemática das séries de experimentos sobre o Equivalente Mecânico, além de outras análises da produção
científica. Neste período histórico, realizava-se uma série de investigações sobre diferentes formas de
produção de calor nas várias leis naturais, envolvendo as pesquisas de Faraday previamente aos
fundamentos do eletromagnetismo, além da elaboração conceitual da Energia Térmica e do Trabalho
Mecânico para a constituição da Termodinâmica e suas relações com as teorias da Física Clássica.
7-CONSIDERAÇÕES FINAIS:
A leitura do artigo de Joule impõem-se necessariamente a realizar um levantamento bibliográfico
referentes ao desenvolvimento da termodinâmica e os fundamentos da Física do século XIX, também em
procurar identificar os trabalhos citados no próprio texto, estas leituras complementares auxiliam a
compreensão do contexto em que se desenvolviam as pesquisas do autor em questão.
O aumento da pressão por uma força mecânica utilizada para a produção de calor implica na
variação volumétrica e na mudança do estado da matéria. Entretanto, o calor produzido pela fricção não
altera as propriedades físicas de cada material analisado, apesar do calor estar associado a mudança de
estado.
O conceito do calórico como uma substância transmitida de um objeto a outro estava sendo
substituída pelo conceito hoje denominado de “energia”, cuja unidade pode ser representada em joule. Em
1849 ainda não havia o sistema BTU ou a caloria como sistemas de medida para o calor, tais com são
representadas nos livros e compêndios de Física, sabemos na notação atual que uma caloria equivale a
4,48 Joules. Os valores obtidos neste experimento não correspondem ao valor atual para o equivalente do
joule. No entanto, a relação obtida para o equivalente mecânico corresponde à variação da temperatura
lida nos termômetros construídos para a série de experimentos.
As pesquisas que vinham se desenvolvendo de no século XIX tratavam também de algumas
relações entre os fenômenos elétricos e a presença do calor, identificada em experimentos envolvendo
passagem de corrente elétrica, entre elas na eletrólise química e a produção de calor. Fora media a
variação da temperatura de fricção durante os lançamentos dos pesos, cuja distância foi multiplicada por
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE PESQUISA EM EDUCAÇÃO EM CIÊNCIAS
ATAS DO V ENPEC - Nº 5. 2005 - ISSN 1809-5100
1010
DEMPESQUISA
EM
EM CIÊNCIAS
V E N CO N T RO N A CI O N A L D E P E S Q U I S A VEENCONTRO
M E D U CNACIONAL
A ÇÃ O E
CI Ê N CI
AEDUCAÇÃO
S
11
20, para melhor identificar esta variação de temperatura. A temperatura de radiação foi obtida antes e
depois dos lançamentos, Joule considerava que a transferência de calor produzida pela fricção no interior
do recipiente devia produzir um aumento na temperatura do ar. Os ajustes necessários para uma notação
moderna do equivalente mecânica fora adquirido a partir de outros experimentos.
Em outras séries de experimentos, entre outros posteriores, permitiram uma compreensão sobre a
proporcionalidade entre calor em diferentes modalidades de energia, por exemplo, a partir da relação entre
o trabalho mecânico produzido por uma força de natureza qualquer “W”, é equivalente ao produto da
variação de calor pela constante de Joule “J”, cuja notação atual representada em sendo identificado a
produção de calor envolvido com diferentes modalidades de força mecânica. A compreensão da caloria
como uma forma de energia, envolve grande parte dos fenômenos da física.
7-REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
AFONSO-GOUDFARB, A.M. O Que é História da Ciência. Ed. Brasiliense. São Paulo ,1994. ISBN: 85-1101286-9
CHEVALARD, Y La transposición didáctica: del saber sábio al saber enseñado. Buenos Aires ed. Aique
1991.
JOULE, J. P. On the Mechanical Equivalent of Heat : Communicated by Michael Faraday D.C.L, F.R.S
Foreign Associaey of the Academy of Science Paris &c &c &c. Philosophical Transaction 61-82. Royal
Society of London. 1850
MARANDINO, M. Transposição ou Recontextualização? sobre a produção dos saberes na educação em
museus de ciências. Revista Brasileira de Educação Mai-Ago n. 26. pp. 95-108 São Paulo 2004 ISSN:
1413-2478
MARTINS, Roberto de Andrade. Manual de Análise de textos metacientíficos (versão 2.1) Disponível em:
http://ghtc.ifi.unicamp.br/download/manual-meta.pdf 05/01/2005
________________________ Como Distorcer a física: considerações sobre um exemplo de divulgação
científica. 1-Física Clássica. Caderno Catarinense de Ensino de Física 15 (3): 243-64,1998.
HALLIDAY, Resnick . FÍSICA: Mecânica - Acústica – Calor. Parte 1. Livros Técnicos e Científicos S.A.
Rio de Janeiro 1965.
NUSSENZVEIG, H.M. Curso de Física Básica, 2a ed., vol 2. - Fluidos, Oscilações Ondas, Calor. Edgard
Blücher, São Paulo, 1990.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE PESQUISA EM EDUCAÇÃO EM CIÊNCIAS
ATAS DO V ENPEC - Nº 5. 2005 - ISSN 1809-5100
1111